智能兩輪電動(dòng)車VCU中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：VCU是實(shí)現(xiàn)車輛控制決策的核心電子控制單元。文章介紹的兩輪電動(dòng)車VCU在防盜器功能上結(jié)合了GPS定位、GPRS網(wǎng)絡(luò)通信、BLE藍(lán)牙通信控制系統(tǒng)。VCU配合云服務(wù)器、手機(jī)終端可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看，GPRS網(wǎng)絡(luò)通道可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制車輛，近場(chǎng)無(wú)網(wǎng)絡(luò)時(shí)可以用BLE藍(lán)牙通道控制車輛。

關(guān)鍵詞：智能中控；VCU；電動(dòng)車

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

電動(dòng)車智能化已慢慢從新能源汽車衍生到兩輪電動(dòng)車上［1］。傳統(tǒng)兩輪電動(dòng)車智能化體驗(yàn)弱，隨著客戶對(duì)兩輪電動(dòng)車智能化的接受程度越來(lái)越高，智能改造升級(jí)也跟隨新能源汽車的腳步不斷升級(jí)。據(jù)中國(guó)自行車協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2021年電動(dòng)兩輪車保有量為3.4億輛，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)800億元。但整個(gè)行業(yè)智能化滲透率不足5%，市場(chǎng)前景廣闊，智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)正處于風(fēng)口中。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)概述

VCU中控系統(tǒng)主控由BLE芯片F(xiàn)R8018HA和CAT1模組NT26U組成。FR8018HA芯片支持Open開發(fā)，負(fù)責(zé)BLE通道的通信和VCU控車全部邏輯。NT26U是一款適用于TDD-LTE/FDD-LTE多網(wǎng)絡(luò)制式CAT1模組。NT26U也支持Open開發(fā)，主要負(fù)責(zé)GPRS網(wǎng)絡(luò)通道通信和GPS數(shù)據(jù)采集。除了BLE通道和GPRS通道通信外，VCU還有和電機(jī)控制器通信的485通道。

2 主控模塊

2.1 CAT1模組NT26U

NT26U是利爾達(dá)的CAT1模組，供電電壓為3.3～3.8 V，采用FreeRtos系統(tǒng)。CAT1和BLE芯片通過(guò)UART串口交互，CAT1串口接收的BLE數(shù)據(jù)并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)通道上傳服務(wù)器，服務(wù)器數(shù)據(jù)下發(fā)CAT1數(shù)據(jù)透?jìng)鹘oBLE芯片，這樣就間接實(shí)現(xiàn)了BLE主控芯片和服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)通信。服務(wù)器原始定位信息是由定位模組L76K通過(guò)NMEA數(shù)據(jù)輸出給NT26U，NT26U對(duì)數(shù)據(jù)解析后上報(bào)給服務(wù)器。

2.2 BLE芯片F(xiàn)R8018HA

FR8018HA是富瑞坤的BLE芯片，支持藍(lán)牙V5.1。VCU中控所有的控車主邏輯都由FR8018HA芯片控制完成。BLE芯片的外部通信部件有：手機(jī)、電機(jī)控制器、433鑰匙。手機(jī)無(wú)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)可以選擇BLE通道和VCU通信。電機(jī)控制器接收VCU 485查詢指令，返回包括速度、里程等信息，485模塊由FR8018HA主控。433無(wú)線鑰匙的解碼信號(hào)是輸出給BLE芯片解析識(shí)別。VCU中控基本控車功能有：電門ACC控制、鎖電機(jī)、輪動(dòng)檢測(cè)、一鍵啟動(dòng)按鍵、超速報(bào)警、震動(dòng)檢測(cè)、語(yǔ)音播放。FR8018HA主控功能，如圖1所示。

3 GPS定位模塊

GPS定位模塊采用L76K模組，模組電壓范圍為 2.7～3.4 V，典型值為3.3 V。L76K可實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高精度定位以及對(duì)定位信號(hào)的快速跟蹤和捕獲。L76K啟動(dòng)后定時(shí)1 s輸出NMEA 0183數(shù)據(jù)。NMEA 0183是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)為全球定位系統(tǒng)制定的一套標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。

4 外設(shè)通信模塊

4.1 433M無(wú)線模塊

4.1.1 發(fā)送模塊

電動(dòng)汽車的遙控鑰匙大多采用433M小無(wú)線通信。小無(wú)線通信需要一個(gè)發(fā)送端，一個(gè)接收端，一發(fā)一收實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通信［2］。發(fā)送端以遙控鑰匙形式存在，采用專用的編碼芯片設(shè)計(jì)，以HS5130為例：按鍵輸入引腳K0～K3，供電引腳Vin/Vss，編碼輸出腳TXD。

4.1.2 接收模塊

接收端接收433無(wú)線信號(hào)輸出解碼信號(hào)。解碼信號(hào)輸入給BLE芯片軟件解析。中控接收模塊采用集成YRB45超外差無(wú)線接收模塊。按照發(fā)送的編碼數(shù)據(jù)，字碼波形有3種位碼：（1）同步位 syn碼。高電平8.8a，低電平272.8a。（2）數(shù)據(jù)位“0”碼。高8.8a，低26.4a。（3）數(shù)據(jù)位“1”碼。高26.4a，低8.8a。a=35 μs（可調(diào)）位碼先發(fā)高電平后發(fā)低電平。每一幀信號(hào)字碼有25位，其中有20位地址位，4位數(shù)據(jù)位和一個(gè)同步位組成。

應(yīng)用中接收端有很多無(wú)序干擾信號(hào)，BLE芯片須經(jīng)過(guò)軟件濾波提取正確的433信號(hào)。首先，需要濾除干擾信號(hào)查找syn碼。觀察有效波形和干擾波形得知有效波形syn碼兩個(gè)上升沿之間的脈寬是T=281.6a，a=35 μs，T=9.8 ms。干擾波形雜亂無(wú)序上升沿和上升沿的間隔大都沒達(dá)到9 ms，查找syn時(shí)有效條件T1上升沿間隔9～11 ms，它可濾除基本干擾波形，識(shí)別到正確的syn。其次，需要識(shí)別data位。data位的位寬都是35.2a，“1”碼在上升沿后17.6a的電平是高電平，“0”碼在17.6a的電平是低電平，通過(guò)上升沿中斷間隔17.6a采樣電平就可以判斷出當(dāng)前數(shù)據(jù)位碼。正常檢測(cè)到一幀24位碼后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)重新開始syn檢測(cè)，采集數(shù)據(jù)時(shí)如果存在干擾信號(hào)超時(shí)70.4a沒有檢測(cè)到上升沿就認(rèn)為異常，重新開始檢測(cè)syn。433解碼軟件流程如圖2所示。

4.2 BLE通信

BLE和App的交互包括3部分：BLE連接、鑒權(quán)、應(yīng)用數(shù)據(jù)收發(fā)。BLE建立連接包含5個(gè)步驟：（1）從機(jī)廣播發(fā)送ADV_IND PDU （包含了從機(jī)藍(lán)牙地址）。（2）主機(jī)發(fā)送掃描請(qǐng)求 SCAN_REQ PDU （包含了從機(jī)和主機(jī)藍(lán)牙地址）。（3）從機(jī)收到掃描請(qǐng)求后同一個(gè)信道上回復(fù) SCAN_RSP PDU。（4）主機(jī)接收到掃描回復(fù)信息后發(fā)送CONNECT_REQ PDU信息。（5）廣播者接收到CONNECT_REQ PDU后確認(rèn)建立連接。系統(tǒng)層連接后App和BLE要進(jìn)行鑒權(quán)確認(rèn)雙方身份合法。鑒權(quán)流程通過(guò) AES 等對(duì)稱加密方式實(shí)現(xiàn)消息認(rèn)證。通信雙方共享一個(gè)對(duì)稱密鑰，由發(fā)送方生成一個(gè)MAC值，附在消息后面，接收方計(jì)算收到消息的MAC。如果和收到的MAC一致，則說(shuō)明沒有被篡改，并且能確認(rèn)發(fā)送方一定擁有相同的密鑰，即認(rèn)證身份。鑒權(quán)成功App就可以和BLE進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)的交互控制車輛。

4.3 GPRS通信

GPRS通道和服務(wù)器的交互也包含3個(gè)過(guò)程：（1）智能設(shè)備主動(dòng)向IoT平臺(tái)發(fā)起TCP連接，與Slot服務(wù)器建立TCP Socket連接。（2）連接IoT平臺(tái)后，發(fā)送認(rèn)證平臺(tái)請(qǐng)求，上傳OpenID、ProductID 以及 ProductKey認(rèn)證平臺(tái)的身份。成功認(rèn)證平臺(tái)身份后，向平臺(tái)發(fā)起入網(wǎng)請(qǐng)求。（3）成功入網(wǎng)后，設(shè)備與應(yīng)用便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4.4 485通信

騎行數(shù)據(jù)行駛總里程、單次里程、行駛的速度以及電機(jī)控制器狀態(tài)等信息需要VCU中控通過(guò)485定時(shí)查詢電機(jī)控制器信息獲取。485屬于半雙工差分信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，VCU目前只連接了電機(jī)控制器，按照不同需求可以擴(kuò)展連接實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信［3］。

5 基本控車

ACC控車電路用于對(duì)整車啟動(dòng)、熄火控制。檢測(cè)ACC電路用于確認(rèn)車輛的電源實(shí)際開關(guān)狀態(tài)［4］。ACC控車原理如圖3所示。

ACC_Ctrl連接BLE芯片IO輸出腳，輸出高電平VBAT_ADC（電源電壓）通過(guò)MOS管Q9導(dǎo)通到ACC給整車供電，輸出低電平Q9管斷開，熄火。ACC_Det連接BLE芯片IO輸入腳，當(dāng)ACC上有電源電壓時(shí)，檢測(cè)到低電平，ACC沒有輸出時(shí)檢測(cè)到高電平。

項(xiàng)目中ACC控制的命令入口有433鑰匙、App、一鍵啟動(dòng)、機(jī)械鑰匙。前3種都是通過(guò)VCU控制ACC_Ctrl來(lái)實(shí)現(xiàn)，機(jī)械鑰匙是通過(guò)電池電源直接接入ACC打開整車電源。這里需要注意少數(shù)車型熄火時(shí)由于有較大車載電容而放電較慢，這時(shí)無(wú)論ACC_ctrl還是機(jī)械鑰匙關(guān)閉電源，到ACC_Det識(shí)別從低電平到高會(huì)有一個(gè)延時(shí)時(shí)間，從而影響關(guān)機(jī)音效和LED熄火指示。實(shí)際測(cè)試中車載電容大熄火時(shí)ACC也會(huì)馬上掉到12 V以下，然后放電變緩最終掉電到0.5 V以下需要1 s的時(shí)間。如果需要兼容這種車型ACC檢測(cè)電路可以調(diào)節(jié)電阻R67、R71把Q11的導(dǎo)通電壓控制在ACC 18 V以上。如Q11 VGSongt;1 V導(dǎo)通則R67可選51 k，R71選3 k，ACC=18 V時(shí)VGSon=18×3/54=1 V。電壓掉到18 V以下ACC_Det就會(huì)立刻識(shí)別到車輛熄火狀態(tài)，中控工作電壓是24～90 V也不會(huì)對(duì)正常的ACC輸出有影響。

VCU其它控車還有一鍵啟動(dòng)，包含兩部分：按鍵讀取和LED驅(qū)動(dòng)。按鍵讀取就是普通開關(guān)檢測(cè)，檢測(cè)到低電平認(rèn)為開關(guān)按下。LED驅(qū)動(dòng)原理和ACC控制輸出原理一致，設(shè)防LED熄滅，撤防1 s慢閃，啟動(dòng)常亮。輪動(dòng)信號(hào)檢測(cè)：檢測(cè)到下降沿是認(rèn)為處于騎行狀態(tài)，如果規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有檢測(cè)到下降沿則認(rèn)為是處于靜止?fàn)顟B(tài)。超速報(bào)警檢測(cè)：新國(guó)標(biāo)電動(dòng)車需要有超速報(bào)警提示功能［5］，中控只需要檢測(cè)電機(jī)控制器輸出超速提示IO電平即可，高電平輸出報(bào)警聲。震動(dòng)檢測(cè)：震動(dòng)時(shí)內(nèi)部彈簧會(huì)不斷地將傳感器兩個(gè)接口像開關(guān)一樣導(dǎo)通斷開，VCU中控通過(guò)檢測(cè)IO電平邊沿變化判斷車輛的震動(dòng)狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

VCU中控不僅含有傳統(tǒng)控車，還有GPRS網(wǎng)絡(luò)通道和BLE藍(lán)牙通道控車功能，可提高用戶智能化體驗(yàn)。

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Design of VCU central control system for intelligent two wheel electric vehicles

ZhuBiliang

（Zhejiang Lierda Internet of Things Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 311121， China）

Abstract： VCU is the core electronic control unit that implements vehicle control decisions. The two wheeled electric vehicle VCU introduced in this article combines GPS positioning， GPRS network communication， and BLE Bluetooth communication control system in terms of anti-theft function. VCU in conjunction with cloud servers and mobile terminals can achieve real-time data viewing， GPRS network channels can achieve remote control of vehicles， and BLE Bluetooth channels can be used to control vehicles when there is no network in the near field.

Key words： intelligent central control; VCU; electric vehicle